Дан ряд с общим членом a_n = (-1)^n/(sqrt(n)+1). Исследуйте его на сходимость, укажите применимые критерии и объясните тонкости, которые влияют на выбор критерия
Рассмотрим ряд ∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n∑n=1∞an, где an=(−1)nn+1\displaystyle a_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt{n}+1}an=n+1(−1)n. 1) Признак Лейбница (чередующийся ряд). Пусть bn=1n+1>0b_n=\dfrac{1}{\sqrt{n}+1}>0bn=n+11>0. Функция f(x)=(x+1)−1f(x)=(\sqrt{x}+1)^{-1}f(x)=(x+1)−1 имеет производную f′(x)=−12x (x+1)2<0(x>0),
f'(x)=-\frac{1}{2\sqrt{x}\,(\sqrt{x}+1)^2}<0\quad(x>0), f′(x)=−2x(x+1)21<0(x>0),
следовательно bnb_nbn монотонно убывает, и limn→∞bn=limn→∞1n+1=0.
\lim_{n\to\infty} b_n=\lim_{n\to\infty}\frac{1}{\sqrt{n}+1}=0. n→∞limbn=n→∞limn+11=0.
Условия признака Лейбница выполнены, значит ряд сходится. 2) Абсолютная сходимость. Рассмотрим ряд положительных членов ∑bn=∑1n+1\sum b_n=\sum \dfrac{1}{\sqrt{n}+1}∑bn=∑n+11. Сравним с 1/n1/\sqrt{n}1/n: limn→∞1/(n+1)1/n=limn→∞nn+1=1.
\lim_{n\to\infty}\frac{1/(\sqrt{n}+1)}{1/\sqrt{n}}=\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt{n}}{\sqrt{n}+1}=1. n→∞lim1/n1/(n+1)=n→∞limn+1n=1.
Так как ряд ∑1/n\sum 1/\sqrt{n}∑1/n (p‑ряд с p=12p=\tfrac12p=21) расходится, то по предельному признаку сравнения ряд ∑bn\sum b_n∑bn тоже расходится. Следовательно исходный ряд не абсолютно сходится. Вывод: ряд сходится условно (сходится по Лейбницу, но не абсолютно). Дополнительные тонкости: для применения Лейбница достаточно монотонности bnb_nbn лишь начиная с некоторого NNN (не обязательно с n=1n=1n=1); если монотонность отсутствует, можно пробовать признаки Дирихле или Абеля. Оценка остатка для Лейбница: для суммы SSS и частичной суммы SNS_NSN верно ∣S−SN∣≤bN+1=1N+1+1 |S-S_N|\le b_{N+1}=\dfrac{1}{\sqrt{N+1}+1}∣S−SN∣≤bN+1=N+1+11.
1) Признак Лейбница (чередующийся ряд). Пусть bn=1n+1>0b_n=\dfrac{1}{\sqrt{n}+1}>0bn =n +11 >0. Функция f(x)=(x+1)−1f(x)=(\sqrt{x}+1)^{-1}f(x)=(x +1)−1 имеет производную
f′(x)=−12x (x+1)2<0(x>0), f'(x)=-\frac{1}{2\sqrt{x}\,(\sqrt{x}+1)^2}<0\quad(x>0),
f′(x)=−2x (x +1)21 <0(x>0), следовательно bnb_nbn монотонно убывает, и
limn→∞bn=limn→∞1n+1=0. \lim_{n\to\infty} b_n=\lim_{n\to\infty}\frac{1}{\sqrt{n}+1}=0.
n→∞lim bn =n→∞lim n +11 =0. Условия признака Лейбница выполнены, значит ряд сходится.
2) Абсолютная сходимость. Рассмотрим ряд положительных членов ∑bn=∑1n+1\sum b_n=\sum \dfrac{1}{\sqrt{n}+1}∑bn =∑n +11 . Сравним с 1/n1/\sqrt{n}1/n :
limn→∞1/(n+1)1/n=limn→∞nn+1=1. \lim_{n\to\infty}\frac{1/(\sqrt{n}+1)}{1/\sqrt{n}}=\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt{n}}{\sqrt{n}+1}=1.
n→∞lim 1/n 1/(n +1) =n→∞lim n +1n =1. Так как ряд ∑1/n\sum 1/\sqrt{n}∑1/n (p‑ряд с p=12p=\tfrac12p=21 ) расходится, то по предельному признаку сравнения ряд ∑bn\sum b_n∑bn тоже расходится. Следовательно исходный ряд не абсолютно сходится.
Вывод: ряд сходится условно (сходится по Лейбницу, но не абсолютно).
Дополнительные тонкости: для применения Лейбница достаточно монотонности bnb_nbn лишь начиная с некоторого NNN (не обязательно с n=1n=1n=1); если монотонность отсутствует, можно пробовать признаки Дирихле или Абеля. Оценка остатка для Лейбница: для суммы SSS и частичной суммы SNS_NSN верно ∣S−SN∣≤bN+1=1N+1+1 |S-S_N|\le b_{N+1}=\dfrac{1}{\sqrt{N+1}+1}∣S−SN ∣≤bN+1 =N+1 +11 .